曹利波
(中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400039)
在國內(nèi)煤礦行業(yè),運行著數(shù)以千計的安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)[1],以及其它各類監(jiān)控系統(tǒng),由于是各個制造廠各自設(shè)計各自生產(chǎn),沒有統(tǒng)一的設(shè)計要求,功能各異,也沒有統(tǒng)一的通信接口和軟件協(xié)議,造成類型眾多,接口不一,使得系統(tǒng)復雜,維修不便,是目前數(shù)據(jù)難以融合和共享的主要障礙。
針對目前監(jiān)控分站的現(xiàn)狀,設(shè)計了一種基于現(xiàn)場可編程(PLC)的監(jiān)控分站,其能夠方便的接入各類傳感器,并將傳感器的數(shù)據(jù)上傳至主站。又能夠根據(jù)現(xiàn)場需要,編制數(shù)據(jù)處理和控制流程,實現(xiàn)分布式PLC[2]控制,也能夠根據(jù)上位機指令實行遠程控制。
分站的微處理器采用STM32F427[3],其處理速度快、程序空間和數(shù)據(jù)空間足夠大,能夠滿足程序解釋執(zhí)行PLC語句的需要。硬件結(jié)構(gòu)和接口圖如圖1。
圖1 硬件結(jié)構(gòu)和接口圖
分站有8/16個開關(guān)量型或脈沖信號型和頻率型信號接口,使用時通過屬性設(shè)置,使其成為開關(guān)量接口、脈沖頻率接口或者累加量接口,以適應(yīng)不同傳感器要求[4-5]。接口用光電隔離,能抑制現(xiàn)場干擾。
分站能接入16個傳感器類設(shè)備的RS485信號,信號通過一個隔離式RS485口接入。傳感器通過地址編碼識別,通過監(jiān)控分站輪詢來傳輸數(shù)據(jù)[6]。每個傳感器分站支持4個數(shù)據(jù)量,這樣使得分站數(shù)據(jù)量大幅增加。同時,可加入1個或多個執(zhí)行分站,遠程執(zhí)行監(jiān)控分站下達的控制指令,實現(xiàn)遠程控制。
分站具有8個控制量隔離輸出,用于控制執(zhí)行器,通過內(nèi)部PLC設(shè)置,實現(xiàn)諸如風電瓦斯閉鎖、風機排瓦斯自動控制、水倉水位的控制等功能。
分站有1個RS485和以太網(wǎng)接口[7],用于與主站的通信,滿足各類通信要求。分站有聲光報警。
1)模塊1:開關(guān)量和頻率量采集模塊。該模塊以6N137高速光耦作為隔離器件,以2.5萬次/s的采樣速率采集輸入接口的信號變化,根據(jù)接口屬性將數(shù)據(jù)存入對應(yīng)變量單元。根據(jù)奈奎斯特采樣定理[8],2.5萬次/s的采樣速率能保證1.2萬次信號變化不失真,保證了采樣精度的實現(xiàn)。經(jīng)過實測,在10 kHz下,監(jiān)控分站能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的采樣,不丟失1 Hz數(shù)據(jù)。目前煤礦使用頻率型信號的傳感器主要為200~1 000 Hz,也有 200~2 000 Hz,個別的也有 10 kHz,足以滿足此類傳感器的需要。
2)模塊2:智能傳感器RS485接口模塊。該模塊用隔離RS485電路,保證主電路與傳感器電路的電氣隔離,并保證數(shù)據(jù)能夠互通。軟件采用監(jiān)控分站輪詢方式對傳感器進行數(shù)據(jù)采集[9],采集到的數(shù)據(jù)放置到對應(yīng)的數(shù)據(jù)單元。
3)模塊3:輸出控制模塊。該模塊在電路上對輸出信號進行光電隔離后輸出到接口,保證與主電路的電氣隔離。在核心軟件監(jiān)控分站內(nèi)部PLC運算結(jié)果輸出后,接口能夠驅(qū)動外部設(shè)備,比如執(zhí)行器,用于控制相應(yīng)設(shè)備。
4)模塊4:顯示和鍵盤接口。本監(jiān)控分站使用128×64點陣的液晶顯示數(shù)據(jù),漢字英文均可顯示。監(jiān)控分站使用遙控器發(fā)出鍵盤操作指令,紅外方式接收鍵盤指令后驅(qū)動顯示模塊顯示相關(guān)數(shù)據(jù),所有采集的數(shù)據(jù)均可實現(xiàn)原碼和實時數(shù)據(jù)的就地顯示。
5)模塊5:RS485與以太網(wǎng)的主站通信[10]模塊。模塊可以接收主站的數(shù)據(jù)采集指令,輸出返回數(shù)據(jù);可以接收主站的指令控制對應(yīng)設(shè)備,實現(xiàn)遠程閉鎖。同時根據(jù)生產(chǎn)需要可以改變監(jiān)控分站的PLC設(shè)置,實現(xiàn)監(jiān)控分站的遠程維護[10]。
6)模塊6:電源模塊。監(jiān)控分站使用18 V直流本安電源,隔離開關(guān)電源DC/DC,通過2路分別供向主電路5 V和其它傳感器以及控制電路(含有電流限制路)。
7)模塊7:PLC模塊[11]。該模塊是監(jiān)控分站的核心模塊,PLC模塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖如圖2。
圖2 PLC模塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖
PLC模塊數(shù)據(jù)接口定義主要有:①部計數(shù)器:00-T99;②內(nèi)部信號寄存器:01-x99;③信號數(shù)據(jù):對于8信號頻率、開關(guān)輸入型監(jiān)控分站定義為A,信號1~信號11為開關(guān)量或頻率量,信號12~信號19為輸出控制量,B1為智能1號傳感器的第1模擬量,B2為智能1號傳感器的第2模擬量,以下類推……,C1為智能2號傳感器的第1模擬量,C2為智能2號傳感器的第2模擬量,以下類推。
PLC的基本語句格式為:邏輯指令寄存器或繼電器操作符操作數(shù)據(jù)或狀態(tài)。
邏輯指令:求分站PLC執(zhí)行的動作。要有6種,D、AND、OR、XOR、OUT、END。
操作符:要對寄存器或繼電器進行的比對、賦值等操作。主要有 6,即=、≠、≤、<、≥、>。
定值:V1~V20。
風電甲烷閉鎖的要求如下:①當甲烷濃度達到1.5%時,分站應(yīng)能通過斷電執(zhí)行器切斷動力電源并閉鎖,同時發(fā)出聲、光報警信號;②當甲烷濃度達到1.0%時,分站應(yīng)能通過斷電執(zhí)行器切斷動力電源并閉鎖,同時發(fā)出聲、光報警信號;③當甲烷濃度達到0.5%時,分站應(yīng)能通過斷電執(zhí)行器切斷動力電源并閉鎖,同時發(fā)出聲、光報警信號;④當甲烷濃度達到3.0%時,分站應(yīng)能通過斷電執(zhí)行器切斷動力電源并閉鎖,同時發(fā)出聲、光報警信號;⑤當局部通風筒信號斷開時,分站應(yīng)能通過斷電執(zhí)行器切斷動力電源并閉鎖。
完成這些功能的PLC執(zhí)行程序如下:
第1行 LD A4 >= 中間變量 V1
第2行 OR X34 = 立即數(shù) 1
第3行 OUT Z12 = 立即數(shù) 1
第4行 OUT A12 = 立即數(shù) 0
第5行 LD A4 < 中間變量 V2
第6行 AND X34 = 立即數(shù) 0
第7行 OUT Z12 = 立即數(shù) 0
第8行 OUT A12 = 立即數(shù) 1
第9行 LD A5 >= 中間變量 V3
第10行 OR X35 = 立即數(shù) 1
第11行 OUT Z13 = 立即數(shù) 1
第12行 OUT A13 = 立即數(shù) 0
第13行 LD A5 < 中間變量 V4
第14行 AND X35 = 立即數(shù) 0
第15行 OUT Z13 = 立即數(shù) 0
第16行 OUT A13 = 立即數(shù) 1
第17行 LD A6 >= 中間變量 V5
第18行 OR X36 = 立即數(shù) 1
第19行 OUT Z14 = 立即數(shù) 1
第20行 OUT A14 = 立即數(shù) 0
第21行 LD A6 < 中間變量 V6
第22行 AND X36 = 立即數(shù) 0
第23行 OUT Z14 = 立即數(shù) 0
第24行 OUT A14 = 立即數(shù) 1
第25行 LD A6 >= 中間變量 V7
第26行 OR X36 = 立即數(shù) 1
第27行 OUT A15 = 立即數(shù) 0
第28行 LD A6 < 中間變量 V8
第29行 AND X36 = 立即數(shù) 0
第30行 OUT A15 = 立即數(shù) 1
第31行 LD A8 = 立即數(shù) 0
第32行 OUT A16 = 立即數(shù) 1
第33行 LD A8 = 立即數(shù) 1
第34行 OUT A16 = 立即數(shù) 0
第35行 LD A9 = 立即數(shù) 0
第36行 OUT A17 = 立即數(shù) 1
第37行 LD A9 = 立即數(shù) 1
第38行 OUT A17 = 立即數(shù) 0
第39行 LD Z12 = 立即數(shù) 1
第40行 OR Z13 = 立即數(shù) 1
第41行 OR Z14 = 立即數(shù) 1
第42行 OUT A20 = 立即數(shù) 1
第43行 LD Z12 = 立即數(shù) 0
第44行 AND Z13 = 立即數(shù) 0
第45行 AND Z14 = 立即數(shù) 0
第46行 OUT A20 = 立即數(shù) 0
第47行 END
設(shè)計了具有分布式PLC通用功能的監(jiān)控分站,它既能夠采集開關(guān)和脈沖數(shù)據(jù),也能夠通過RS485接口采集智能傳感器的數(shù)據(jù);并將這些數(shù)據(jù)進行組合,用于通過監(jiān)控分站控制開關(guān)量;分站融合了幾類傳感器的數(shù)據(jù)接入,滿足了數(shù)據(jù)共享的需求。